Transmissão serial de sinais

Transmissão serial de sinais Quando há a necessidade de comunicação entre dois sistemas digitais, geralmente localizados a uma curta distância, pode-se fazer uso da comunicação paralela. Na comunicação paralela são enviados vários bits de cada vez, ao longo de um meio de transmissão composto de vários canais, um para cada bit. Tomando a transmissão de um caractere (7, 8 ou 9 bits), por exemplo, fica claro que o custo de alocar um canal para cada bit torna-se extremamente alto a medida em que a distância cresce. A comunicação paralela se torna mais difícil de implementar se estes dois sistemas estão a dezenas de metros de distância, como ocorre, por exemplo, com os bancos de dados de redes corporativas de empresas, internet, redes industriais, entre outros. Neste caso, para a utilização de cabos com 10 vias, por exemplo, ter-se-ia um custo astronômico e uma dificuldade operacional enorme. Foi diante da necessidade de comunicar com equipamentos à distância que se criou o sistema de comunicação serial. Sendo na verdade a comunicação serial um caso particular da comunicação paralela, em que apenas um bit é transmitido por vez, a transmissão de um certo caractere é feita de tal forma que cada bit de cada caractere é transmitido de forma sequencial, um após o outro. Devido à sua grande importância e larga aplicação em redes industriais, é apresentada somente a comunicação serial de sinais. Comparação entre transmissão paralela x serial A seguir são relacionadas algumas características da comunicação paralela e serial. Na transmissão paralela (Figura 3.1), os bits compondo uma palavra de dados são conduzidos ao longo de um conjunto de vias, sendo um para cada bit. Esta transmissão pode ser caracterizada como: 1. Transmissão de dados mais custosa e mais complexa; 2. Necessita mais de um canal de comunicação; 3. Apresenta maiores velocidades durante a transmissão de dados; 4. Custo elevado; 5. Baixa imunidade a ruídos e 6. Utilizados em curtas distâncias. Figura 3.1 Comunicação Paralela

Na transmissão serial o número de linhas necessárias à transmissão pode ser bastante reduzido, convertendo-se os dados a serem transmitidos numa sequência serial de bits. A transmissão serial pode ser caracterizada como: 1. Transmissão de dados menos complexa; 2. Necessita apenas de um canal de comunicação (par trançado-por exemplo); 3. Apresenta menores velocidades durante a transmissão de dados; 4. Menor custo e 5. Maior imunidade a ruídos. Modo de comunicação serial Na comunicação serial existem dois modos de comunicação, o síncrono e o assíncrono, apresentados de forma mais objetivas nas seções seguintes. Modo síncrono de comunicação Como o nome já diz, esse modo necessita de um sincronismo entre dois sistemas em comunicação. Geralmente, um dos sistemas conectados deve gerar um clock que deve ser seguido polos demais sistemas. Neste modo de comunicação, os sistemas devem transmitir e receber dados como verdadeiros registradores de deslocamento (shift-registers), dispositivos em que a entrada é paralela e a saída é serial. Na figura 3.2 é ilustrado o modo síncrono de uma comunicação. Figura 3.2 Modo síncrono de comunicação. Na transmissão serial síncrona, os clocks do transmissor e receptor não devem estar sincronizados e o tempo é dividido em intervalos de tamanho fixo que corresponde a um bit. O termo síncrono refere-se a um intervalo fixo de cada bit de dados, transmitidos continuamente através do meio de transmissão sem qualquer sinal adicional. Além da eficiência, devido ao não envio de sinais adicionais (partida e parada), o modo síncrono tem vantagem de não ser tão sensível as distorções e dessa forma pode trabalhar em velocidades bem mais altas. Modo assíncrono de comunicação Neste modo de comunicação, não existe a necessidade de gerar um sinal síncrono externo (clock) como no modo síncrono. O controle de tempo entre dois bits consecutivos não

é importante, mas o tempo da sequência de bits que compõem um byte é crítico. Na Figura 3.3 é ilustrado o modo assíncrono de comunicação. Os dois sistemas devem ter geradores de clock internos programados para a mesma taxa de transmissão de dados, denominada baud rate. Figura 3.3 Modo assíncrono de comunicação. Como as sequências de bits para formar um byte são pequenas, os erros decorrentes da falta de precisão dos geradores de clock são despercebidos pelos sistemas, conforme visto na Figura 3.4. Figura 3.4 Transmissão serial assíncrona. A transmissão é feita caractere a caractere (byte a byte) e cada caractere é antecipado de um sinal de start e sucedido por um sinal de stop. Desta forma, se o transmissor tem dados para transmitir, ele envia um bit de partida, os bits de dados e um ou mais bits de fim. O termo assíncrono refere-se a este carácter aleatório do tempo de transmissão de dados, ou seja, a transmissão pode começar a qualquer momento. Como se pode observar, um bit de início (start bit) é reconhecido pela transmissão do nível presente na linha de 1 para 0. Neste instante, o clock interno do sistema efetua uma varredura da linha de tempos em tempos para detectar o nível na mesma, nível se associado a cada bit de forma conveniente. Após os bits de dados, opcionalmente, pode ser enviado um bit de paridade, usado na detecção de erros, sendo a sequência concluída com um ou mais bits de fim, que são compostos por um sinal alto. Desta forma parte da transmissão não transporta informação util. Neste ponto, o sistema entra em repouso, dito estado de marcação, e fica na espera de um novo start bit, para iniciar a recepção de um novo caractere. Os sinais de temporização e controle utilizados para cada modo de transmissão são geralmente gerados por hardware e especialmente desenvolvidos para este tipo de comunicação, e não é necessário que o usuário se preocupe com os mesmos. Evidentemente, os sistemas conectados devem operar a uma mesma taxa de transmissão (baud rate) e usar uma mesma configuração para estes bits.

Os erros podem ocorrer com frequência, e os sistemas devem ter mecanismos para detecção e correção dos mesmos. Os métodos mais usados são paridade, check sum e o cycliv redundancy check (CRC). O teste de paridade é usado com frequência, apesar de pouco eficiente, pois a incorreção de dois ou mais bits em uma mensagem pode levar a falha deste processo de detecção de erros. As taxas de transmissão seguem um certo padrão de valores expressos na quantidade de bits enviados por segundo (ex.: 300bps, 1200bps, 2600bps, 4800bps, 9600bps etc.). O modo assíncrono é mais utilizado, pois necessita de um número menor de vias de comunicação e a implementação do hardware do equipamento de comunicação é mais simples. Tipos de comunicação quanto ao sentido de fluxo de dados Quanto ao sentido de fluxo de dados, as comunicações se dividem em três tipos: simplex, half-duplex e duplex (full-duplex). Estes conceitos se aplicam tanto as transmissões seriais quanto paralelas. Simplex O tipo de comunicação simplex de interligação de dispositivos é aquele no qual se tem um elemento que apenas transmite e outro que somente recebe. Um exemplo típico é os sistemas de chamada, do tipo Pager, em que o usuário apenas recebe os dados, sem retornar qualquer informação. Na Figura 3.5 é ilustrado o modo simplex de fluxo de dados. Figura 3.5 Modo simplex de fluxo de dados. Half-duplex O segundo tipo é o half-duplex ou semi-duplex. Neste modo de comunicação, têm-se elementos que recebem e transmitem dados, embora as duas operações não possam ocorrer simultaneamente. Um exemplo é o walkie-talkie, em que os dois terminais podem receber e transmitir, mas enquanto um fala, o outro apenas recebe. Na Figura 3.6 é ilustrado o modo half-duplex de fluxo de dados.

Figura 3.6 Modo half-duplex de fluxo de dados. Duplex Tem-se, finalmente, o modo full-duplex ou simplesmente duplex, que consiste em um modo pelo qual os sistemas podem transmitir e receber dados simultaneamente, permitindo maior agilidade das operações de comunicação de dados. Na Figura 3.7 é ilustrado o modo duplex de fluxo de dados. Figura 3.7 Modo duplex de fluxo de dados. Classificação das interfaces seriais quanto à referência As interfaces seriais classificam-se quanto à referência dos sinais em relação ao terra em desbalanceada e balanceada. As características e consequências das duas abordagens são apresentadas a seguir. Desbalanceada Neste caso, o sinal de dados tem como referência o terra dos sistemas conectados. Para uma transmissão full-duplex bastam 3 fios. Um para cada sentido de fluxo e o outro para acoplar os terras dos sistemas. A desvantagem desse tipo de interface é a baixa imunidade a ruídos. Qualquer ruído que ocorre é aplicado apenas aos fios de sinal, quem tem uma impedância bem mais alta que a impedância da referência, no caso o terra. Os ruídos induzidos nas linhas de dados deformam o sinal dos bits transferidos. Neste caso, mesmo se apenas um bit é alterado, todo o dado é perdido. Na Figura 3.8 exemplificada uma interface desbalanceada.

Figura 3.8 Interface desbalanceada. Balanceada Para cada sinal dados tem-se uma referência desconectada do terra. Sendo assim, precisa-se de dois pares de fios para uma transmissão full-duplex e um par de fios para transmissão half-duplex ou simplex. O sinal de referência entram em um amplificador diferencial. A vantagem está na alta imunidade a ruídos, já que qualquer ruído é sentido igualmente pelo sinal e pela sua referência, e, portanto, a diferença entre os níveis de tensão entre sinal e referência permanece a mesma. Na Figura 3.9 é exemplificada uma interface balanceada. Figura 3.9 Interface balanceada. Principais padrões de interface serial Os padrões para interface serial especificam as características elétricas, mecânicas e funcionais dos Circuitos entre dois equipamentos e determinam nomes, números e fios necessários para se estabelecer a comunicação. Estes padrões são estabelecidos pela TIA (Associação internacional de telecomunicações) e pela EIA (Associação internacional de eletrônica).

RS-232 O padrão de comunicação RS-232 é sem dúvida o mais conhecido e utilizado padrão de comunicação serial. Ele surgiu em 1969 e foi desenvolvido originalmente para especificar as conexões entre terminais e MODEMS. Emprega transmissão de sinais desbalanceada e os fios básicos para a transmissão são Txd (transmitted data), o Rxd (Received data) e o SG (Signal Ground). Para evitar o conflito de dados, os equipamentos são divididos em dois tipo: DTE (Data terminal Equipamento), geralmente microcomputadores, terminais e controladores, e DCE (Data communication Equipament), geralmente MODEM. A diferença entre os dois na prática se resume aos pinos do conector da porta serial no qual se tem Txd (transmissão de dados) e Rxd (recepção de dados) e nas linhas usadas para controle de fluxo. Pelo padrão (conector de 25 pinos), para um DTE o pino 2 é Txd e o pino 3 é Rxd e para o DCE o pino 2 é Rxd e o 3 pino é o Txd. Para que seja possível a comunicação entre dois aparelhos DTE é necessário que a linha de transmissão de um seja a linha de recepção do outro. Em muitos casos é necessário para o equipamento transmissor saber se o equipamento receptor está pronto para receber, ou seja, é necessário que o receptor envie uma informação para o transmissor. Essa informação é chamada de controle de fluxo (handshaking) e pode ser enviada via software (pouco utilizado) ou via hardware. Numa transmissão de um DTE para DCE, o pino 6 é utilizado para isso e o sinal chama-se DSR (data set ready). O pino 5 tem a mesma função e o sinal é conhecido como CTS (Clear to send). Já em uma transmissão de um DCE para um DTE os sinais utilizados são DTR (data terminal ready) no pino 20 e RTS (request to send) no pino 4. Os últimos dois sinais mais utilizados são o RI (ring indicador) usado para o MODEM sinalizar que o telefone está tocando e o CD (Corrier detected). No total são mencionados nas linhas externas nove pinos e por isso se passou a utilizar o conector de nove pinos (DB9) ao invés do conector de vinte e cinco (DB25), anteriormente utilizado, principalmente em microcomputadores compatíveis com IBM-PC. Como a comunicação é digital, deve-se definir que significa um bit 0 e o que significa um bit 1. No padrão RS-232, o bit 0 é uma tensão positiva entre o intervalo de +5V e +15V para saída e entre +3V e +15V para entrada. Já o bit 1 é uma tensão negativa variando entre -5 e - 15V para saída e -3V e -15V para entrada. Todos os níveis de tensão são em relação ao SG (Sinal Ground). Na figura 3,10 são apresentados aspectos de ligação e do sinal na comunicação RS-232. Figura 3.10 Comunicação RS-232. A transmissão por RS-232 tem o alcance máximo estipulado em cerca de 20m, porém a distância efetiva está diretamente relacionada com a taxa de transmissão, o cabo utilizado e as condições de ruído do ambiente.

O RS-232 é compatível com os padrões ITU (Internacional Telecommunications Union) V.24 e V.28 e ISO 2110. Na figura 3.11 são mostradas pinagens dos conectores ao DB9 e DB25 utilizados na interface RS-232. Figura 3.11 Pinagem do conector padrão RS-232. RS-485 No protocolo RS-485 há apenas um par de fios para transmissão e recepção que deve ser compartilhado. Esta estratégia possui algumas vantagens e desvantagens. A grande vantagem, sem dúvida, é a possibilidade de se interligar vários equipamentos que podem se comunicar entre si através do mesmo cabo, ao contrário dos padrões nos quais só pode haver um dispositivo em cada Uma das extremidades do cabo. O alcance da transmissão RS-485 é compatível com o padrão RS-422. Por isso, esse padrão está sendo cada vez mais utilizado em ambientes industriais onde há sistemas automatizados ligados em rede. Na Figura 3.12 é apresentado o driver do padrão de comunicação RS-485. Como desvantagem, pode-se citar que se trata de uma comunicação half-duplex. O software de comunicação deve gerenciar a habilitação de transmissão e recepção para evitar uma confusão de dados. Além disso, deve haver um meio de se evitar ou resolver o conflito de dados que pode ocorrer quando dois equipamentos tentam transmitir ao mesmo tempo. Neste caso a solução é permitir que cada equipamento só inicie a transmissão quando verificar se a

linha está livre. No caso de dois equipamentos iniciarem a comunicação no mesmo instante, estes devem identificar a colisão de dados, interromper o processo e tentar novamente após tempos diferentes. Outra solução é ter um gerenciador de rede, que é o único a poder começar uma transmissão e é quem autoriza os demais componentes da rede a iniciar uma comunicação. Desse modo, evita-se todo conflito, porém há a desvantagem de que componentes da rede não podem comunicar entre si livremente, tendo que aguardar pelo gerenciador para desencadear i processo. Algoritmos mais elaborados devem contornar esses problemas. Figura 3.12 Driver RS-485. É importante mencionar que a inserção de resistores nas duas extremidades do cabeamento da rede RS-485 permite um melhor casamento de impedâncias no cabo, evitando reflexões do sinal a ponto de deteriorar a comunicação, conforme apresentado na figura 3.13. Muitos equipamentos já possuem este resistor internamente, adicionados ou retirados através de chaves dip-switches, para o caso dos equipamentos estarem localizados nas extremidades do cabeamento ou ao longo deste, respectivamente. Na figura 3.14 é apresentado o resistor com os dip-switches mencionados em equipamentos para rede RS-485. Figura 3.13 Localização dos resistores de terminação em rede RS-485. Figura 3.15 Dip-switches utilizadas para adicionar o resistor de terminação.

Na Tabela 3.1 é apresentada uma comparação entre os padrões seriais RS-232, RS- 423, RS-422 e RS-485, bem como suas principais características de comunicação. Tabela 3.1 Comparação entre padrões seriais RS-232, RS-423, RS-422 e RS-485. Na Figura 3.15 é mostrado o gráfico de distância pela taxa de transmissão. Observa-se que o padrão RS-485 apresenta melhor resultados em relação aos demais padrões de comunicação. Figura 3.15 Baud rate x distância.

USB USB é um padrão de transmissão serial de dados muito utilizado atualmente, popularizado pelo seu uso na interligação de periféricos e computadores PC, como webcam, impressoras, pen-drive, scanner etc. USB foi criado em 1995 através de uma aliança entre várias empresas de grande porte como Microsoft, Compaq, Intel, Hewlett-Packard, Lucent, NEC e Philips. Em notebooks, o padrão USB praticamente já substituiu as portas RS-232 antes ali presentes. Seu uso tem, também, crescido substancialmente no ambiente industrial na interligação entre computadores PC e CLP, visando principalmente à programação e monitoramento de CLP, papel este que era cumprido principalmente por portas seriais RS-232. USB permite ainda o uso de hubs USB, conforme Figura 3.16. Teoricamente, pode-se conectar até 127 dispositivos USB em uma única porta, porém a velocidade de transmissão de dados de todos os equipamentos envolvidos é comprometida. Em redes Industriais, hubs USB têm sido utilizados na camada física ao interligar-se CLP e redes Ethernet Industrial. Figura 3.16 Hub USB. Uma característica importante do padrão USB é sua capacidade de ser plug and plug, ou seja, permitir fácil instalação de dispositivos sem precisar desligá-los pela identificação automática e disponibilidade imediata de seus recursos. Desta forma não é necessária a escolha manual de endereços físicos de hardware e nem de requisição de interrupções, evitando-se conflitos de IRQ. A primeira versão deste padrão, a versão 1.0, permite taxas de transmissão de 1,5 Mbps. Esta versão foi logo ultrapassada pela versão 1,1 cuja velocidade vai de 1,5 Mbps (low-speed) a 12 Mbps (full-speed). No ano 2000 foi lançada a versão 2.0 (high-speed) que permite comunicação com taxa de transmissão de até 480 Mbps, cerca de 60MBps (60 Mbytes por segundo), mantendo a compatibilidade com as versões anteriores. Na Figura 3.17 são

mostrados conectores USB típicos, na versão A e B. Na Figura 3.18, por sua vez, é apresentado um conector USB com seus devidos pinos identificados. Observa-se, pela figura, que, além de efetuar transferência de dados, o padrão USB também permite alimentação de circuitos eletrônicos através de tensão de 5 Vcc, presente em seus terminais. Apesar da referência GND estar presente na pinagem, o padrão USB é considerado balanceado, atingindo, por isso, altas taxas de transmissão. Figura 3.17 Conectores USB típicos. Figura 3.18 Pinagem conector USB. A codificação utilizada é a NRZI (Non Return to Zero Inverted) em que o bit 1 é codificado através de transições da tensão entre os terminais D+ e D- (tanto transições de subida como de descida) e o bit 0 quando não há transição.